Изотермическое выдавливание фланцевых втулок из высокопрочных материалов в условиях плоской деформации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Митин Олег Николаевич, канд. техн. наук, начальник отдела, [email protected], Россия, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»

MA THEMA TICAL MODEL OF CRIMPING PIPE BILLETS

Mitin O.N.

Are the basic equations and relations for analysis of stress and strain state, power regimes and limits of Opera-tion crimping anisotropic steel billets conical matrix. Revealed the influence of technological parameters of the process, friction conditions on the contact surfaces of the power modes and limits of formoizmeneniya.

Key words: anisotropy, crimping, pipe billet, matrix, power, process parameters, deformation, strength.

Mitin Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, head of department, [email protected], Russia, Tula, JSC NPO Splav

УДК 621.983; 539.974

ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ФЛАНЦЕВЫХ ВТУЛОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПЛОСКОЙ

ДЕФОРМАЦИИ

А.В. Черняев, А. А. Пасынков, С.Н. Ларин

Выполнен анализ операции горячего выдавливания фланцевых втулок в режиме кратковременной ползучести в условиях плоской деформации. Получены основные уравнения и соотношения для оценки силовых параметров и предельных возможностей формоизменения.

Ключевые слова: горячее выдавливание, плоская схема деформации, сила, повреждаемость, напряжения, кратковременная ползучесть.

Изотермическое выдавливание позволяет получать сложные по геометрии изделия при минимальных припусках под мехобработку. При штамповке существенна зависимость режимов технологии и, следовательно, качества изделий от скорости, т.к. деформируемый горячий металл проявляет вязкие свойства. Кроме того, деформирование сопровождается изменениями механической сплошности материала, что определяет качество изделия [1].

Схема процесса горячего выдавливания фланцевой втулки показана на рис. 1. Здесь же приведено разрывное поле скоростей перемещений материала заготовки. При условии плоской деформации поле скоростей [2] является жесткоблочным. Деформации имеют место только на линиях раз-

рыва скорости и границах трения на матрице.

Рис. 1. Схема операции и разрывное поле скоростей

Скорости на линиях разрыва скоростей определяются в соответствии с годографом скоростей (рис. 2).

Рис. 2. Годограф скоростей при плоском выдавливании

Энергетическое уравнение принимает вид:

q(r0 - ri )V0£ XtpVplp + tтрVklk . С1)

Касательная и нормальная скорости на первой линии разрыва определяются по выражениям:

(Voi)t = V°,!°s j, (Voi)n = Vo cosb, sm(p + j)

а на второй в соответствии с годографом скоростей (рис. 1):

(V12) = V°-fllc°s ф ,, (V12)„ = V2cosa= V°(ro -ri)slna.

cos(a - ф) (r2 - r )cos(a - ф) n r2 - r

Эквивалентные деформации, скорости деформаций и касательные

напряжения выразим следующим образом:

( ) _ (V°1 )t _ cos ф

l8e j°1 _

(ee )•

e /12

fëe )

e /01

V3(^oi )й ^2 )t V3(Vi2 )й

=Fo

Dh

(еэW (Xe)

T01 -

A ( n

v Dh y

Va

n+да

V3 cos P' sin(P + j)’ cos j

л/3 sin a • cos(a - j) ’

=Fo

Dh A(

e /12

(e e)

e /01

*12 -

V3

Fo

Dh

( \n+m

\be /12 •

У

На контактной границе трения касательное напряжение примем в

форме

Ттр -mq cos j :

где m - коэффициент трения. Скорость здесь по годографу скоростей выражается, как

V° cos b

Vk - F

1

sm(P + ф)

Подстановка полученных выражений в энергетическое неравенство (1) приводит к следующей оценке давления:

q < A

Fo

Dh

1 -m

Г0 - Г2 cos P

(2)

где

cos ф

ro - Г1 sin

in(p +j)

cos ф

л/э^ Р- sm(p + ф), л/3^т а- cos(a-ф)

На основе полученных зависимостей исследовано влияние степени деформации, геометрических параметров инструмента, условий трения и скорости перемещения пуансона на относительное давление операции плоского прямого выдавливания. В расчетах приняты следующие геометрические размеры заготовки: г0 = 25 мм; г = 17 мм; И = 10 мм.

На рис. 3 представлены графические зависимости относительного давления д = q / ов0 от угла конусности инструмента ф и степени деформации е = 1 -^ /^о, где ^1 и ^о - площадь деформированного и недефор-мированного участков трубной заготовки. Установлено, что с увеличением степени деформации е и уменьшением угла ф относительное давление

возрастает. Так, изменение е от 0,1 до 0,5 для исследуемых материалов приводит к росту д на 20...30 %. Уменьшение угла ф от 50 до 10° сопровождается ростом д в 1,7.. .1,9 раза.

<Р=10° О О СЧ II Э- -6 II о о

<Р=40° \

\

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

о----------------

а

5

" 4

3

С

2

1

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

£---------в-

б

Рис. 3. Зависимости изменения д от е при прямом

выдавливании фланцевых втулок из сплавов АМг6 (а) и ВТ6С (б)

(V = 1 мм/с; т = 0,1)

Оценено влияния скорости перемещения инструмента V на относительное давление операции прямого выдавливания (рис. 4). Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением скорости от 0,01 до 10 мм/с значение д возрастает на 20 % для сплава АМг6 и на 50 % для сплава ВТ6С.

Существенное влияние на величину относительного давления оказывают условия трения на контактных поверхностях инструмента и заготовки. На рис. 5 показаны графические зависимости изменения д от коэффициента трения т.

а

б

Рис. 4. Зависимости изменения д от V при прямом выдавливании

фланцевых втулок из сплавов АМг6 (а) и ВТ6С (б) (ф = 30°; т = 0,1) с различными степенями деформации е

Установлено, что увеличение т приводит к росту относительного давления. Причем, более интенсивный рост д наблюдается при больших значениях степени деформации. Так, при е = 0,5 с увеличением коэффициента трения от 0,1 до 0,4 относительное давление возрастает на 15 %.

Повреждаемость материала заготовки при плоской деформации в соответствии с энергетической теорией прочности оценивается по выражению:

А

12

cos ф

Л

л/3^т а cos(a - ф))

1+т+п

І

1-п

(1 п)АПр

а по кинетической теории прочности - по уравнению

cos ф

12

(ее )пр л/3^т а cos(а - ф))

5,0

4,5

4,0

Ч

3,5

3,0

г=о,з \ г=о,4 \ £=0,5

-Л \

-—-

\

\г=ол \ \ £=0.2

од

0,2

0,3

0,4

а

Я

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

£=0,4 £=0,5

у

\г=ол \£=0.2 V \£=0,3

ОД

0,2 0,3

м------------------------

0,4

б

Рис. 5. Зависимости изменения д от т при прямом выдавливании с различными степенями деформации е фланцевых втулок из сплавов АМг6 (а) и ВТ6С (б) (V = 1 мм/с; ф = 30°)

Предельная удельная работа разрушения Апр и предельная эквивалентная деформация (е е) пр определяются из [1].

При плоской деформации ох = -д и по условию пластичности 0у = (ое)12 + ох = (ое)12 - д .

Так как

о г = 2 (о х + 0 у ),

93

то среднее напряжение

2

Выполнены исследования влияния угла конусности инструмента ф и степени деформации е на повреждаемость материала заготовки ю при прямом выдавливании фланцевых втулок из трубных заготовок (рис. 5).

1,0

0,8

0,6

со

0,4

0,2

г=о.4 \ £=0.?

\

\

\£=0.1 \£=0.2 СП о II

10

20

Ф-

зо градус 50

1,0

0,8

о,б

со

0,4

0,2

£=о.4 \ £=0.5

\£=0.1 \£=0,2 \£=0.3

10

20

Ф-

зо градус 50

а

б

Рис. 6. Зависимости изменения ю от е при прямом выдавливании фланцевых втулок из сплавов АМг6 (а) и ВТ6С (б) (V = 1 мм/с; т = 0,1)

Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением е от 0,1 до 0,5 повреждаемость сплавов АМг6 и ВТ6С возрастает в 1,3...1,5

раза. Увеличение конусности инструмента ф от 10 до 50° сопровождается ростом величины повреждаемости ю в 1,7.2 раза.

Расчеты относительного давления и повреждаемости материала, выполненные в предположении плоской деформации, качественно согласуются с данными, полученными по модели осесимметричной деформации. Однако результаты расчетов по модели плоской деформации дают завышенную оценку давления на 10.20 % и повреждаемости на 15.25 % по сравнению с моделью осесимметричной деформации.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», государственному заданию Министерства образования и науки Российской Федерации на 2012-2014 годы и грантов РФФИ.

Список литературы

1. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов же-

стким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С. С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.

2. Теория обработки металлов давлением: учебник для вузов /

В.А. Голенков [и др.] // под ред. В.А. Голенкова, С.П. Яковлева. М.: Машиностроение, 2009. 442 с.

Черняев Алексей Владимирович, д-р техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ларин Сергей Николаевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

ISOTHERMAL EXTRUSION FLANGED BUSHES FROM HIGH-STRENGTH MATERIALS

IN THE CONDITIONS OF PLANE STRAIN

ChernyaevA.V., PasynkovA.A., Larin S.N.

In this report presented an analysis of the operation of hot extrusion flanged bushes in the mode of short-term creep and plane strain. Received basic equations and formulas for estimation of power parameters and limits of formoizmeneniya.

Key words: hot extrusion, flat scheme deformation, strength, damage, voltage, shortterm creep.

Tchernyaev Alexey Vladimirovich, doctor of technical sciences, associate professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, associate professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Larin Sergey Nikolaevich, candidate of technical sciences, associate professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University